新加坡国立大学AFM：“肿瘤保鲜盒”——透明质酸水凝胶为晚期癌症患者点燃希望

摘要：“癌症晚期”这四个字曾让无数家庭陷入绝望。尽管现代医学取得了显著进展，但对晚期癌症（尤其是腹膜转移Peritoneal Metastases, PM）的治疗仍面临巨大挑战。最近，新加坡国立大学的Eliza Fong教授与新加坡国立癌症中心的Johnny Ong

“癌症晚期”这四个字曾让无数家庭陷入绝望。尽管现代医学取得了显著进展，但对晚期癌症（尤其是腹膜转移Peritoneal Metastases, PM）的治疗仍面临巨大挑战。最近，新加坡国立大学的 Eliza Fong 教授与新加坡国立癌症中心的 Johnny Ong 医生联合领导的研究团队发布了一项突破性研究：他们开发出了一种基于透明质酸（Hyaluronic acid, HA）水凝胶的体外外植体（Patient-Derived Tumor Explant, PDTE）肿瘤模型，能够帮助腹膜转移癌症患者找到更精准的个性化治疗方案。

该团队的研究成果《Hydrogel-Mediated Preservation of Live Tumor Explants for Drug Development in Peritoneal Metastases》最近发表于国际顶级期刊《先进材料（Advanced Materials）》。这个新型体外肿瘤培养系统利用 HA 优异的生物相容性，并通过结合可酶降解的交联剂（PQ 肽序列）和细胞可识别的整合素结合位点（RGD 肽序列）进一步控制水凝胶的生物活性。这款水凝胶就像“保鲜盒”一样，能有效地保存肿瘤组织的宏观形态、细胞活性、病理组织学特征、以及基因表达，长达12 天，并能够准确预测患者对药物的临床反应。

图1 基于HA水凝胶的PDTE体外培养系统实验流程图和材料表征，以及与其他体外系统的横向对比

团队通过对比 HA 水凝胶与肿瘤外植体培养常用的两种方法：聚四氟乙烯 PTFE 细胞跨膜插入器（Transwell Insert）和基质胶 Matrigel，发现HA 水凝胶能够更好地保存PM PDTE的组织形态、细胞活性及更完整的组织病理学特征。

图2 通过系统性地优化HA水凝胶的硬度、整合素结合位点和可降解性，可以进一步提升PDTE的组织形态、细胞活性以及在体外的组织病理学特征保存度。

研究人员进一步探索了水凝胶性能的优化可能性。他们合成了不同硬度、可降解性及细胞粘附性的水凝胶并进行系统性比较，发现水凝胶的硬度、降解性及HA材料本身能够显著影响 PDTE 的细胞活性以及组织结构的完整性。

有趣的是，尽管以往研究表明由 RGD 产生的细胞粘附性对肿瘤细胞的体外培养具有促进生长的作用，但在本实验中，研究者未能观察到 RGD 的明显影响。这表明单细胞培养与组织层面细胞培养之间存在一定差异，反映出组织培养可能更能有效模拟体内肿瘤微环境，进而有助于准确地阐明肿瘤在体内的生长机制。通过一系列优化实验，团队最终确定 2% HA 水凝胶（硬度为350 Pa）为体外培养PDTE的最佳条件，并以此展开后续实验。

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3HA水凝胶相比传统方法，能够通过抑制肌球蛋白II介导的组织收缩，从而提升PDTE的细胞活性和组织结构的完整性

通过大量重复实验比较水凝胶的“三维培养（3D culture）”与 PTFE 的“二维培养（2D culture）”，该团队发现了二维培养会导致组织的严重收缩（Tissue Contraction）。至于产生这一现象的原因，目前尚缺乏相关研究。研究团队认为，若能找出组织收缩的原因及其生物学机制，将为后续的组织体外培养提供新思路。因此，研究团队首先排除了组织收缩是单纯的组织结构从一个维度向另一维度的变迁——即横向收缩转变为纵向扩张。通过观察PDTE两个维度的结构变化，他们发现PDTE在 PTFE 上培养的过程中横纵两个维度均发生了收缩。这表明组织结构发生了塌陷，可能是由细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）降解所致。他们通过二次谐波产生（Second Harmonic Generation, SHG）定量表征胶原蛋白结构随时间的变化印证了这一猜想。结合单细胞 RNA 测序数据，研究推测可能有肌成纤维细胞（Myofibroblast）促成组织收缩和ECM的重塑。通过在培养中加入肌成纤维细胞功能（肌球蛋白II, Myosin-II）抑制剂，再次观察组织结构，发现组织收缩明显减少，从而进一步验证了该结论。有趣的是，在HA 水凝胶培养条件下，组织细胞外基质重塑通路被有效抑制，收缩几乎消失。由此他们推断出水凝胶提供的三维培养环境通过抑制肌成纤维细胞的收缩功能来有效地减少组织收缩。通过这一系列的机理研究，团队证明了HA水凝胶比传统的二维培养更好地维持了组织结构的稳态，从而更有效地延长PDTE的在体外的生物活性。

图4 基于HA 水凝胶的PDTE 体外培养系统有效维持 PM 原细胞组成、重要的功能性基因及细胞间信号传递

在肿瘤微环境中，各种间质细胞（Stromal Cells）对肿瘤的发展具有重要影响。研究者通过深入分析PDTE在水凝胶培养前后的转录组谱，发现HA水凝胶能够有效保留原始肿瘤微环境中的所有常见细胞，包括癌细胞、癌症相关成纤维细胞（Cancer Associated Fibroblast, CAF）、免疫细胞和内皮细胞。进一步分析免疫细胞的组成后，团队确认HA水凝胶培养的PDTE在7 天后仍然保留了多种免疫细胞亚群，如细胞毒性T细胞、自然杀伤细胞及肿瘤相关巨噬细胞（Tumor Associated Macrophage, TAM），并且相比传统方法，HA水凝胶更有效地促进了细胞之间的信号传递。这些发现验证了HA水凝胶在保留PM肿瘤微环境方面的优越性能。

图5 基于HA 水凝胶的PDTE 体外培养系统加入腹水重现医学上腹水对 PM化疗药物反应的影响

许多PM患者会伴随产生大量的腹水，而腹水会提高患者对化疗药物的耐药性。为了更真实地还原腹膜转移瘤在人体内的微环境，研究人员在肿瘤模型中加入了不同患者的腹水，以探讨腹水对 PDTE 体外培养效果及药物反应的影响。研究发现，虽然腹水对 PDTE 的活性、组织病理学没有影响，但它显著提高了肿瘤对不同化疗药物（如顺铂、阿霉素、厄洛替尼）的耐药性，说明加入腹水之后的肿瘤模型能有效复现临床上的病人对药物的反应。

图6 PDTE 体外药物试验重现了在动物模型中TM5441（纤溶酶原激活物抑制剂-1 Plasminogen Activator Inhibitor-1, PAI-1）对存在腹水的 PM生长的抑制效果

针对腹水导致的肿瘤耐药性，研究团队提出了一种靶向治疗策略，通过针对腹水中产生的耐药成分来实现PM病人的个性化治疗。团队之前已在动物模型中证明，PAI-1抑制剂TM5441能够有效抑制有腹水情况下肿瘤的生长。在该研究中，团队利用研发的体外肿瘤模型进一步验证了这一靶向治疗的可行性。值得一提的是，这个PM PDTE模型成功复现了动物实验的结果，但与体外单细胞培养实验存在显著差异，表明该体外模型比传统的单细胞模型更准确地反映体内肿瘤的药物反应。值得注意的是，该体外模型有效保留肿瘤微环境，为研究腹水引起的耐药机制以及加速新型治疗药物的研发提供了良好的平台——而这些在动物模型中难以实现。

总结

该研究开发的基于HA水凝胶的PM PDTE体外培养系统能够有效保持肿瘤微环境，为药物测试和新药研发提供了极好的平台。通过这个指甲盖大小的“肿瘤保鲜盒”，医生和研究人员有望能够在体外完整保存每位患者独特的肿瘤微环境，从而实现个性化治疗的最终目标。研究深入分析了生物材料的机械和化学性质对PDTE体外培养的影响，展示了生物材料在体外肿瘤培养中的重要作用，对未来生物材料学者设计新型肿瘤模型具有重要的借鉴意义。未来，随着生物材料的不断发展，预计将有更多基于生物材料的肿瘤模型涌现，为癌症的治疗带来新的突破，进一步惠及广大患者。